Техническое решение по снижению эффекта кавитации в лопатке турбины Каплана

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Применение турбин Каплана широко распространено на гидроэлектростанциях малой и большой мощности. Понимание механизмов отказа указанных турбин является ключевым фактором для разработки решений по их предотвращению или своевременному устранению, а также для обеспечения их работоспособности. Надежная работа турбин Каплана зависит от многих факторов, таких как кавитация, эрозия, усталость и дефекты материалов. Кавитация в турбинах Каплана приводит к нестабильности потока, вибрациям, повреждению поверхности и снижению производительности машины. В связи с этим исследованы факторы, приводящие к кавитации в турбине Каплана, и представлены практические решения данной проблемы. Покрытия, нанесенные термонапылением, часто применяются из-за их высокой износостойкости, экономической эффективности, снижения веса и меньшего негативного воздействия на основной металл. Кроме того, высокоскоростное распыление кислородного топлива (HVOF) используется для создания покрытий с высокой плотностью и прочностью сцепления. При высоких температурах металлокерамические покрытия, в том числе наночастицы, обладают исключительной износостойкостью. Наноструктурированные и многогранные покрытия на основе WC используются из-за их высокой износостойкости. Кроме того, карбид хрома в покрытиях на основе WC повышает их стойкость к окислению и износу.

Об авторах

Мохаммед Рида Валид Халид

Российский университет дружбы народов

Email: 1042218144@rudn.ru
ORCID iD: 0009-0009-0798-4317

аспирант базовой кафедры машиностроительных технологий, инженерная академия

Москва, Россия

Казем Реза Каши Заде

Российский университет дружбы народов

Email: reza-kashi-zade-ka@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0552-9950

кандидат технических наук, профессор департамента транспорта, инженерная академия

Москва, Россия

Сиамак Горбани

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: gorbani-s@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0251-3144
SPIN-код: 8272-2337

кандидат технических наук, доцент базовой кафедры машиностроительных технологий, инженерная академия

Москва, Россия

Список литературы

  1. Gordon JL. Hydraulic turbine efficiency. Canadian Journal of Civil Engineering. 2001;28(2):238-253. https://doi.org/10.1139/l00-10
  2. Fahmi ATWK, Kashyzadeh KR, Ghorbani S. A comprehensive review on mechanical failures cause vibration in the gas turbine of combined cycle power plants. Engineering Failure Analysis. 2022:106094. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106094
  3. Kashyzadeh KR, Kivi SA, Rynkovskaya M. Fatigue life assessment of unidirectional fibrous composite centrifugal compressor impeller blades based on FEA. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2016;7:6-11.
  4. Amiri N, Shaterabadi M, Reza Kashyzadeh K, Chizari M. A comprehensive review on design, monitoring, and failure in fixed offshore platforms. Journal of Marine Science and Engineering. 2021;9(12):1349. https://doi.org/10.3390/jmse9121349
  5. Rus T, Dular M, Širok B, Hočevar M, Kern I. An Investigation of the Relationship Between Acoustic Emission, Vibration, Noise, and Cavitation Structures on a Kaplan Turbine. Journal of Fluids Engineering. 2007; 129(9):1112-1122. https://doi.org/10.1115/1.2754313
  6. Cencîc T, Hocevar M, Sirok B. Study of Erosive Cavitation Detection in Pump Mode of Pump-Storage Hydropower Plant Prototype. Journal of Fluids Engineering. 2014;136(5):051301. https://doi.org/10.1115/1.4026476
  7. Xavier E, Eduard E, Mohamed F, Francois A., Miguel C. Detection of cavitation in hydraulic turbines. Mechanical Systems and Signal Processing. 2006;20(4): 983-1007. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2004.08.006
  8. Duraiselvam M, Galun R, Wesling V, Mordike BL, Reiter R, Oligmuller J. Cavitation erosion resistance of AISI 420 martensitic stainless steel laser-clad with nickel aluminide intermetallic composites and matrix composites with TiC reinforcement. Surface and Coatings Technology. 2006;201(3-4):1289-1295. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.01.054
  9. Farrahi GH, Chamani M, Kashyzadeh KR, Mostafazade A, Mahmoudi AH, Afshin H. Failure analysis of bolt connections in fired heater of a petrochemical unit. Engineering Failure Analysis 2018;92:327-342. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.06.004
  10. Ming Z, David V, Carme V, Mònica E, Eduard E. Failure investigation of a Kaplan turbine blade. Engineering Failure Analysis 2019;97:690-700. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.056
  11. Kumar P, Saini RP. Study of cavitation in hydro turbines - A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010;14(1):374-383. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.07.024
  12. Farhat M, Bourdon P, Gagné JL, Remillard L. Improving hydro turbine profitability by monitoring cavitation aggressiveness. CEA Electricity ‘99 Conference and Exposition. Vancouver, March. 1999. p. 1-15.
  13. Karimi A, Avellan F. Comparison of erosion mechanisms in different types of cavitation. Wear. 1986; 113(3):305-322. https://doi.org/10.1016/0043-1648(86) 90031-1
  14. Shi H, Li Z, Bi Y. An On-line Cavitation Monitoring System for Large Kaplan Turbines. 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting. Tampa, FL, USA; 2007. https://doi.org/10.1109/PES.2007.385723
  15. Alligne S, Nicolet C, Allenbach P, Kawkabani B, Simond JJ, Avellan F. Influence of the vortex rope location of a Francis turbine on the hydraulic system stability. Proceedings of the 24th Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Foz do Iguassu, Brazil, October 27-31, 2008. http://doi.org/10.5293/IJFMS.2009.2.4.286
  16. Mohammad DA, Frengki MF. Cavitation Analysis of Kaplan-Series Propeller: Effect of Pitch Ratio and nProp using CFD. International Journal of Marine Engineering Innovation and Research. 2021;6(2): 114-124. http://doi.org/10.12962/j25481479.v6i2.8747
  17. White FM, Majdalani J. Viscous Fluid Flow. 4th ed. New York, NY: McGraw-Hill Education; 2021. 2021. 18. Brennen CE. Cavitation and bubble dynamics. UK: Cambridge University Press; 2013.
  18. Higuchi H, Arndt REA, Rogers MF. Characteristics of Tip Vortex Cavitation Noise. Journal of Fluids Engineering. 1989;111(4):495-501. https://doi.org/10.1115/1.3243674
  19. Chang N,Ganesh H, Yakushiji R, Ceccio SL. Tip Vortex Cavitation Suppression by Active Mass Injection. Journal of Fluids Engineering. 2011;133(11):111301. https://doi.org/10.1115/1.4005138
  20. Mohamed F, Francois A. On the detachment of a leading edge cavitation. Laboratory For Hydraulic Machines Swiss Federal Institute of Technology EPFLIMHEF-LMH. Av. De Cour, 33 CH-1006 Lausanne, Switzerland. 2014. Available from: https://caltechconf.library.caltech.edu/130/ (accessed: 02.05.2023)
  21. Sezen S, Atlar M. Mitigation of Hub Vortex Cavitation with Application of Roughness. Journal of Marine Science and Engineering. 2022;10:1426. https://doi.org/10.3390/jmse10101426
  22. Ghassemi H, Mardan A, Ardeshir A. Numerical analysis of hub effect on hydrodynamic performance of propellers with inclusion of pbcf to equalize the induced velocity. Polish Maritime Research. 2012;19:17-24. https://doi.org/10.2478/v10012-012-0010-x
  23. Jani DB, Mistry Y, Suthar M, Suthar A, Shah J, Patel P. An overview on cavitation in centrifugal pump. International Journal of Innovative Research in Technology. 2019;6(5):1-5.
  24. Pohl M, Stella J. Quantitative CLSM roughness study on early cavitation-erosion damage. Wear. 2002; 252(5-6):501-511. https://doi.org/10.1016/S0043-1648 (02)00003-0
  25. Leith WC. Cavitation damage of metals. Doctoral thesis. McGill University, Department of Mechanical Engineering; 1960.
  26. Mathias M, Göcke A, Pohl M. The residual stress, texture and surface changes in steel induced by cavitation. Wear. 1991;150(1-2):11-20. https://doi.org/ 10.1016/0043-1648(91)90302-B
  27. Ermolieff A, Amouroux A, Marthon S, Faviet JF, Peccoud L. XPS studies of contamination of reactor and silicon surfaces caused by reactive ion etching. Semiconductor Science and Technology. 1991;6(4):290-295. https://doi.org/10.1088/0268-1242/6/4/011
  28. Santis DP, Sette D, Wanderlingh F. Cavitation Detection: The Use of the Subharmonics. The Journal of the Acoustical Society of America. 1967;42(2):514-516. https://doi.org/10.1121/1.1910611
  29. Neppiras E. Measurement of acoustic cavitation. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. 1968; 15(2):81-88. https://doi.org/10.1109/T-SU.1968.29452
  30. Gyöngy M, Coussios CC. Passive cavitation mapping for localization and tracking of bubble dynamics. The Journal of the Acoustical Society of America. 2010;128(4):175-180. https://doi.org/10.1121/1.3467491
  31. Verhaagen B, Fernández RD. Measuring cavitation and its cleaning effect. Ultrasonics Sonochemistry. 2016;29:619-628. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.03.009
  32. Čdina M. Detection of cavitation phenomenon in a centrifugal pump using audible sound. Mechanical Systems and Signal Processing. 2003;17(6):1335-1347. https://doi.org/10.1006/mssp.2002.1514
  33. Nandi S, Toliyat HA, Xiaodong L. Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors- a review. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2005;20(4): 719-729. https://doi.org/10.1109/TEC.2005.847955
  34. Zhang M, Valentín D, Valero C, Egusquiza M, Egusquiza E. Failure investigation of Kaplan turbine blade. Engineering failure analysis. 2019;97:690-700. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.056
  35. Mohanta RK, Chelliah TR, Allamsetty S, Akula A, Ghosh R. Sources of vibration and their treatment in hydro power stations-A review. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2016;20(2):637-648. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2016.11.004
  36. Alicja KK. Degradation and Protection of Materials from Cavitation Erosion: A Review. Materials. 2023;16(5):2058. https://doi.org/10.3390/ma16052058
  37. Kumar R, Bhandari S, Goyal A. Synergistic effect of Al2O3TiO2 reinforcements on slurry erosion performance of nickel-based composite coatings. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2017;232(8): 974-986. https://doi.org/10.1177/1350650117736487
  38. Romero MC, Tschiptschin AP, Scandian C. Low temperature plasma nitriding of a Co30Cr19Fe alloy for improving cavitation erosion resistance. Wear. 2019;426-427:581-588. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.01.019
  39. Inspektor A, Salvador PA. Architecture of PVD coatings for metalcutting applications: a review. Surface and Coatings Technology. 2014;257:138-153. https:// doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.068
  40. Andrievski RA. Nanostructured superhard films as typical nanomaterials. Surface and Coatings Technology. 2007;201:6112-6116. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.08.119
  41. Krella AK. Degradation of protective PVD coatings, In: Handbook of Materials Failure Analysis with Case Studies from the Chemicals, Concrete, and Power Industries. 1st ed. Makhlouf A.S.H., Mahmood A. Publisher: Elsevier; 2016. p. 411-440.
  42. Basak AK, Celis JP, Vardavoulias M, Matteazzi P. Effect of nanostructuring and Al alloying on friction and wear behaviour of thermal sprayed WC-Co coatings. Surface and Coatings Technology. 2012;206:3508-3516. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.02.030

© Халид М.Р., Реза Каши Заде К., Горбани С., 2024

Ссылка на описание лицензии: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcode

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах